專利名稱：極高扭矩的雙臺(tái)肩鉆具接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及能夠在鉆井過(guò)程中通過(guò)螺紋連接傳送扭矩的油田管道螺紋連接裝置。本發(fā)明特別涉及在鉆桿、鉆套或鉆具接頭上的油田管道螺紋連接裝置，所述螺紋連接裝置在一個(gè)徑向向外的臺(tái)肩和一個(gè)徑向向內(nèi)的臺(tái)肩之間具有錐形螺紋，其通常被稱為一種旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩式連接裝置。這種雙臺(tái)肩連接裝置是為承受較大扭矩和保持一個(gè)與所述油田管道相類似的抗扭強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。
背景技術(shù)：
在油田管道上的雙臺(tái)肩螺紋連接裝置的一端通常具有一個(gè)陽(yáng)螺紋連接器，而另一端具有一個(gè)陰螺紋連接器。每一個(gè)連接器都適于與位于另一個(gè)管道相對(duì)一端處的一個(gè)相應(yīng)連接器配合。
所述陽(yáng)螺紋連接器通常具有較大的內(nèi)徑或流動(dòng)路徑和在一個(gè)徑向向內(nèi)的外臺(tái)肩和一個(gè)徑向向內(nèi)的陽(yáng)螺紋連接器表面之間軸向延伸的外螺紋。所述陽(yáng)螺紋連接器還具有一個(gè)在所述外臺(tái)肩和外螺紋之間軸向延伸的基部和一個(gè)在所述陽(yáng)螺紋連接器表面和外螺紋之間軸向延伸的前端部分。所述陰螺紋連接器通常具有一個(gè)限定了一流動(dòng)路徑的內(nèi)徑，所述內(nèi)徑基本上與所述陽(yáng)螺紋連接器的內(nèi)徑相同，所述陰螺紋連接器還具有在一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩和一個(gè)用于與所述陽(yáng)螺紋連接器進(jìn)行螺紋連接的徑向向外的陰螺紋連接器表面之間軸向延伸的內(nèi)螺紋、以及一個(gè)位于所述內(nèi)螺紋和陰螺紋連接器表面之間的擴(kuò)孔部分。
所述外螺紋和內(nèi)螺紋通常具有從與所述前端部分鄰接的第一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向向外延伸到與所述基部鄰接的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋處的錐度，所述錐度足以使所述陽(yáng)螺紋連接器和陰螺紋連接器能靈活和有效的連接。
在常規(guī)的鉆桿中，在陰螺紋連接器中通常沒(méi)有用于與所述陽(yáng)螺紋連接器的一個(gè)前端或表面抵靠接合的內(nèi)臺(tái)肩。當(dāng)所述陽(yáng)螺紋連接器和陰螺紋連接器在地面上以轉(zhuǎn)動(dòng)的方式連接時(shí)，作用在所述陽(yáng)螺紋連接器的最后一個(gè)接合螺紋上的扭矩大約是所述螺紋的屈服強(qiáng)度的一半。如果在鉆井過(guò)程中需要傳送附加的扭矩，那么可能超過(guò)所述陽(yáng)螺紋連接器和陰螺紋連接器上的螺紋的抗扭強(qiáng)度。因此，為了克服低強(qiáng)度的螺紋連接，使用具有較高扭矩傳送能力的鉆具接頭是有益的。
盡管人們對(duì)制造一種具有較高扭矩承受能力的螺紋連接裝置進(jìn)行了許多嘗試，但是為了使所述螺紋上的剪切應(yīng)力的強(qiáng)度不低于包括所述螺紋連接裝置的整個(gè)鉆具接頭的強(qiáng)度而在承受該扭矩的能力方面幾乎沒(méi)有進(jìn)行嘗試。作為在螺紋連接裝置中承受扭矩的嘗試，人們對(duì)鉆具接頭進(jìn)行了各種設(shè)計(jì)改進(jìn)，同時(shí)試圖保持一個(gè)最大的內(nèi)徑或流動(dòng)路徑。
例如，在由Hall等人提出的美國(guó)專利No.4,548,431中披露了一種鉆具接頭，這種鉆具接頭比常規(guī)的鉆具接頭能夠承受更高的扭矩。這種由Hall等人提出的設(shè)計(jì)形式中包括了一個(gè)螺紋連接裝置，所述螺紋連接裝置具有的陽(yáng)螺紋連接器前端部分的直徑隨著所述螺紋長(zhǎng)度的增大而減小。這樣，由于由Hall等人提出的鉆具接頭的抗扭強(qiáng)度是隨著所述陽(yáng)螺紋連接器前端部分的直徑而確定的，因此增大所述螺紋長(zhǎng)度會(huì)對(duì)抗扭強(qiáng)度造成不利影響。當(dāng)通過(guò)對(duì)由Hall等人提出的設(shè)計(jì)形式進(jìn)行試驗(yàn)確定抗扭強(qiáng)度時(shí)，具有適用于最小預(yù)定內(nèi)徑的螺紋長(zhǎng)度的所設(shè)計(jì)連接裝置會(huì)致使所述陽(yáng)螺紋連接器前端部分在最大直徑處的橫截面積太小。較大的內(nèi)徑會(huì)使一個(gè)陽(yáng)螺紋連接器前端部分的強(qiáng)度低于陽(yáng)螺紋連接器基部、所述陰螺紋連接器擴(kuò)孔部分以及螺紋的強(qiáng)度。因此，這種螺紋連接裝置是不平衡的。
美國(guó)專利No.5,492,375提出了一種優(yōu)于由Hall等人所提出的專利的改進(jìn)形式。美國(guó)專利No.5,492,375中所披露的技術(shù)方案通過(guò)使對(duì)任何已給定內(nèi)徑的螺紋長(zhǎng)度和前端部分直徑最佳化而使螺紋連接裝置的抗扭強(qiáng)度最大。但是，由Hall等人提出的專利或美國(guó)專利No.5,492,375都不能在無(wú)需使所述前端部分直徑或橫截面積與螺紋長(zhǎng)度相關(guān)聯(lián)的情況下達(dá)到一種在幾何尺寸上保持平衡的螺紋連接形式。
另外，美國(guó)專利No.4,549,754采用了一種通過(guò)降低外螺紋相對(duì)于內(nèi)螺紋的錐度(即，使外螺紋上的錐度總體小于內(nèi)螺紋的錐度)而使載荷沿著幾個(gè)螺紋線性分布的螺紋設(shè)計(jì)形式。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于油田生產(chǎn)和/或整體應(yīng)用的井下管道連接的新穎螺紋設(shè)計(jì)形式。所述螺紋連接裝置可具有一個(gè)位于一管道一端處的陽(yáng)螺紋連接元件，所述陽(yáng)螺紋連接元件可與在另一個(gè)管道一端處的陰螺紋連接元件連接，每一個(gè)管道的一端具有一個(gè)陽(yáng)螺紋連接元件，而另一端具有一個(gè)陰螺紋連接元件。本發(fā)明所涉及的新穎的螺紋設(shè)計(jì)形式采用了一種雙臺(tái)肩連接方式，所述雙臺(tái)肩連接方式包括在所述陽(yáng)螺紋連接元件上的一個(gè)徑向向外的外臺(tái)肩和所述陰螺紋連接元件上的一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩之間的錐形螺紋。所述螺紋連接裝置在幾何尺寸上是平衡的以便在將一個(gè)預(yù)加載應(yīng)力作用在一個(gè)與最后一個(gè)陰螺紋徑向相鄰接的區(qū)域中且當(dāng)所述徑向向內(nèi)的臺(tái)肩與一個(gè)陽(yáng)螺紋連接元件表面接合之后能承受所述螺紋連接裝置中的扭矩。內(nèi)徑或用于傳送鉆井液的流動(dòng)路徑是最主要的。因此，螺紋連接裝置的內(nèi)徑通常比所述連接裝置的強(qiáng)度重要。
本發(fā)明的目的在于通過(guò)使所述陰螺紋接頭的一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積和所述陽(yáng)螺紋接頭的一個(gè)前端部分橫截面積相關(guān)聯(lián)來(lái)使一個(gè)螺紋連接裝置的抗扭強(qiáng)度最大。為了完成上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一個(gè)管式陽(yáng)螺紋接頭，所述管式陽(yáng)螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向外的外臺(tái)肩和一個(gè)徑向向內(nèi)的陽(yáng)螺紋接頭表面之間軸向延伸的外螺紋。所述陽(yáng)螺紋接頭包括一個(gè)在所述外臺(tái)肩和外螺紋之間軸向延伸的基部以及一個(gè)在所述陽(yáng)螺紋接頭表面和外螺紋之間軸向延伸的前端部分。所述前端部分在所述前端部分的內(nèi)徑和所述前端部分的外徑之間限定了一個(gè)前端橫截面積。所述外螺紋的錐度顯著小于標(biāo)準(zhǔn)鉆具接頭錐度，所述外螺紋的錐度最好小于內(nèi)螺紋的錐度，并且從與所述前端部分相鄰接的第一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向向外延伸到與所述基部相鄰接的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋處的錐度不大于每英尺1英寸。
一個(gè)管式陰螺紋接頭用于與所述陽(yáng)螺紋接頭進(jìn)行螺紋連接并且具有在一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩與一個(gè)徑向向外的陰螺紋接頭表面之間軸向延伸的內(nèi)螺紋。所述陰螺紋接頭在所述內(nèi)螺紋和陰螺紋接頭表面之間包括一個(gè)擴(kuò)孔部分。所述擴(kuò)孔部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了擴(kuò)孔橫截面積。所述陰螺紋接頭在一個(gè)相對(duì)于所述內(nèi)臺(tái)肩與所述內(nèi)螺紋軸向相對(duì)間隔開(kāi)的位置處限定了一個(gè)位于所述陰螺紋接頭的內(nèi)徑和其外徑之間的陰螺紋接頭橫截面積。當(dāng)所述螺紋連接裝置連接時(shí)，一個(gè)預(yù)加載應(yīng)力作用在與所述陽(yáng)螺紋接頭上的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向鄰接的區(qū)域中，并且所述陽(yáng)螺紋接頭表面與內(nèi)臺(tái)肩接合。在所述螺紋連接裝置的連接過(guò)程中，傳遞到所述螺紋連接裝置上的附加扭矩通過(guò)強(qiáng)度較低的螺紋連接被傳送致使所述陽(yáng)螺紋接頭表面和內(nèi)臺(tái)肩產(chǎn)生平面接合。因此，所述鉆具接頭的整體強(qiáng)度取決于所述螺紋連接裝置在與相接合的所述陽(yáng)螺紋接頭表面和內(nèi)臺(tái)肩鄰接的區(qū)域處的抗扭強(qiáng)度。
所述螺紋連接裝置的抗扭強(qiáng)度是通過(guò)將所述擴(kuò)孔橫截面積和前端橫截面積的總橫截面積限制為所述陰螺紋接頭橫截面積的至少70％來(lái)提高的。因此，所述擴(kuò)孔橫截面積(A1)、前端橫截面積(A2)和陰螺紋接頭橫截面積(A3)之間存在著下列關(guān)系式A1+A2≥(70％)A3。保持上述關(guān)系的同時(shí)還要求所述擴(kuò)孔部分在所述內(nèi)螺紋和陰螺紋接頭表面之間的軸向長(zhǎng)度至少為1.5英寸。這樣，所述螺紋連接裝置的抗扭強(qiáng)度取決于A1+A2≥(70％)A3，并且所述螺紋的錐度不大于每英尺1英寸或者所述擴(kuò)孔部分的軸向長(zhǎng)度至少為1.5英寸。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述擴(kuò)孔橫截面積至少比位于所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋的螺紋根部和與其徑向鄰接的所述陽(yáng)螺紋接頭的內(nèi)徑之間的橫截面積大10％，并且所述內(nèi)螺紋和所述外螺紋的軸向間距大約為每英寸3.5個(gè)螺紋。另外，所述前端部分的內(nèi)徑不小于所述陰螺紋接頭在相對(duì)于所述內(nèi)臺(tái)肩與所述內(nèi)螺紋軸向相對(duì)間隔開(kāi)的一個(gè)位置處的內(nèi)徑，并且所述陰螺紋接頭的外徑不大于所述陰螺紋接頭在所述陰螺紋接頭表面和內(nèi)臺(tái)肩之間的外徑。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和所述陰螺紋接頭連接時(shí)，所述基部的外徑和所述擴(kuò)孔部分的內(nèi)徑限定了一個(gè)至少為0.03英寸的徑向間隙。當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和所述陰螺紋接頭連接時(shí)，所述前端部分的外徑和與所述前端部分徑向鄰接的所述陰螺紋接頭的內(nèi)徑限定了一個(gè)至少為0.03英寸的徑向間隙。
根據(jù)本發(fā)明所涉及的用于形成所述螺紋連接裝置的一種優(yōu)選方法，形成一個(gè)陽(yáng)螺紋接頭，所述陽(yáng)螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向外的外臺(tái)肩和一個(gè)徑向向內(nèi)的陽(yáng)螺紋接頭表面之間軸向延伸的外螺紋。所述陽(yáng)螺紋接頭包括一個(gè)在所述外臺(tái)肩和外螺紋之間軸向延伸的基部以及一個(gè)在所述陽(yáng)螺紋接頭表面和外螺紋之間軸向延伸的前端部分。所述前端部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了一個(gè)前端橫截面積。所述外螺紋從與所述前端部分相鄰接的第一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向向外延伸到與所述基部相鄰接的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋處的錐度不大于每英尺1英寸。
形成一個(gè)用于與所述陽(yáng)螺紋接頭進(jìn)行螺紋連接的管式陰螺紋接頭，所述管式陰螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩與一個(gè)徑向向外的陰螺紋接頭表面之間軸向延伸的內(nèi)螺紋。所述陰螺紋接頭在所述內(nèi)螺紋和陰螺紋接頭表面之間包括一個(gè)擴(kuò)孔部分。所述擴(kuò)孔部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積。所述陰螺紋接頭在一個(gè)相對(duì)于所述內(nèi)臺(tái)肩與所述內(nèi)螺紋軸向相對(duì)間隔開(kāi)的位置處限定了一個(gè)處在所述陰螺紋接頭的內(nèi)徑和其外徑之間的陰螺紋接頭橫截面積。所述擴(kuò)孔橫截面積和前端橫截面積限定了一個(gè)至少為所述陰螺紋接頭橫截面積的70％的總橫截面積。接著，連接所述陽(yáng)螺紋接頭和陽(yáng)螺紋接頭以使所述陰螺紋接頭表面和外臺(tái)肩接合并使一個(gè)預(yù)加載應(yīng)力作用在所述陽(yáng)螺紋接頭和陰螺紋接頭二者之上的與所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向鄰接的區(qū)域中。最后，在鉆井過(guò)程中通過(guò)所述陽(yáng)螺紋接頭表面和所述內(nèi)臺(tái)肩的平面接合傳送扭矩以使所述螺紋連接裝置具有與所述管道類似的抗扭強(qiáng)度。
因此，本發(fā)明的一個(gè)總體目的在于，提供一種改進(jìn)的雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，所述螺紋連接裝置能夠承受螺紋連接裝置中的扭矩并且具有與所述管道類似的抗扭強(qiáng)度。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，在所述螺紋連接裝置中，所述擴(kuò)孔橫截面積和前端部分橫截面積的總橫截面積至少為所述陰螺紋接頭橫截面積的70％。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，在所述螺紋連接裝置中，所述外螺紋和內(nèi)螺紋具有一個(gè)足夠的軸向間距以便當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和陰螺紋接頭處于拉伸狀態(tài)下時(shí)來(lái)固定所述陽(yáng)螺紋接頭部件和陰螺紋接頭部件并且有助于通過(guò)所述螺紋將扭矩傳送到所述內(nèi)臺(tái)肩。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種具有平衡幾何尺寸的雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，以滿足下列條件1. A1+A2≥(70％)A3；并且2. 所述螺紋的錐度不大于每英尺1英寸；或者3. 所述擴(kuò)孔部分的軸向長(zhǎng)度至少為1.5英寸。
本發(fā)明的一個(gè)特征在于，提供一種雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，在所述螺紋連接裝置中，所述外螺紋從與所述前端部分相鄰接的第一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向向外延伸到與所述基部相鄰接的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋處的錐度不大于每英尺1英寸。
本發(fā)明的另一個(gè)特征在于，提供一種雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，所述螺紋連接裝置具有一個(gè)擴(kuò)孔部分，所述擴(kuò)孔部分在所述內(nèi)螺紋和陰螺紋接頭表面之間的軸向長(zhǎng)度至少為1.5英寸。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，提供一種具有足夠錐度的螺紋連接裝置以便能夠靈活和有效地連接所述陽(yáng)螺紋接頭和陰螺紋接頭。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，提供一個(gè)橫截面積較大的前端部分寬度。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，提供一種雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，在所述螺紋連接裝置中，當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和所述陰螺紋接頭連接時(shí)，所述基部的外徑和所述擴(kuò)孔部分的內(nèi)徑之間限定了一個(gè)至少為0.03英寸的徑向間隙。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，提供一種雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，在所述螺紋連接裝置中，當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和所述陰螺紋接頭連接時(shí)，所述前端部分的外徑和與該前端部分徑向相鄰接的所述陰螺紋接頭的內(nèi)徑之間限定了一個(gè)至少為0.03英寸的徑向間隙。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，提供一種雙臺(tái)肩螺紋連接裝置，在所述螺紋連接裝置中，所述外螺紋的錐度小于所述內(nèi)螺紋的錐度。
根據(jù)下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述中，可以明顯地看出本發(fā)明的這些和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是表示本發(fā)明所涉及的處于螺紋連接位置的陽(yáng)螺紋接頭部件和陰螺紋接頭部件的一個(gè)縱向四分之一的截面圖。
圖2是表示圖1中所圈區(qū)域的一個(gè)局部放大視圖。
圖3是表示圖1中所圈區(qū)域的一個(gè)局部放大視圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述現(xiàn)參見(jiàn)圖1，一個(gè)管式陽(yáng)螺紋接頭10位于一段鉆桿的一端，用于與另一段鉆桿的一個(gè)管式陰螺紋接頭12配合連接。所述帶有陽(yáng)螺紋接頭10的鉆桿的另一端具有一個(gè)與陰螺紋接頭12相似的陰螺紋接頭。同樣，所述帶有陰螺紋接頭12的鉆桿的另一端具有一個(gè)與陽(yáng)螺紋接頭10相似的陽(yáng)螺紋接頭。
所述管式陽(yáng)螺紋接頭10包括在一個(gè)徑向向外的外臺(tái)肩18和一個(gè)徑向向內(nèi)的陽(yáng)螺紋接頭表面26之間軸向延伸的外螺紋22。所述陽(yáng)螺紋接頭10還包括一個(gè)在所述外臺(tái)肩18和外螺紋22之間軸向延伸的基部16以及一個(gè)在所述陽(yáng)螺紋接頭表面26和外螺紋22之間軸向延伸的前端部分24。所述前端部分24在其內(nèi)徑30和其外徑32之間限定了一個(gè)前端橫截面積28。
所述前端橫截面積28對(duì)于螺紋連接裝置的抗扭強(qiáng)度是很重要的。所述前端橫截面積28是所述螺紋的軸向長(zhǎng)度和錐度的一個(gè)函數(shù)。在每英寸軸向長(zhǎng)度上的螺紋數(shù)量較少以及螺紋的錐度較緩會(huì)使整體螺紋連接裝置的抗扭強(qiáng)度較高。相反，螺紋的錐度較陡可使所述管式鉆桿段的連接比較快速靈活。在每英寸軸向長(zhǎng)度上的螺紋數(shù)量較多可降低所述鉆桿段在拉伸載荷作用下出現(xiàn)滑脫或分離的可能性。因此，許多幾何尺寸必須保持相對(duì)平衡以達(dá)到一種能夠通過(guò)螺紋連接傳送較高扭矩的螺紋連接方式。
本發(fā)明將1英寸至2英寸管上的標(biāo)準(zhǔn)螺紋錐度減小到不大于每英尺1英寸。因此，所述外螺紋22具有一個(gè)從與所述前端部分24鄰接的第一個(gè)陽(yáng)螺紋34徑向向外延伸到與所述基部16鄰接的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋36的錐度。所述外螺紋22從所述第一個(gè)陽(yáng)螺紋34徑向向外延伸到所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋36的錐度不大于每英尺1英寸，最好不大于每英尺0.8英寸。
所述管式陰螺紋接頭12可與所述陽(yáng)螺紋接頭10進(jìn)行螺紋連接并且包括在一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩40與一個(gè)徑向向外的陰螺紋接頭表面42之間軸向延伸的內(nèi)螺紋38。盡管所述內(nèi)螺紋38的錐度最好大于所述外螺紋22的錐度以便當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭10與陰螺紋接頭12連接時(shí)使作用在所述外螺紋22和內(nèi)螺紋38上的載荷線性分布，但是所述內(nèi)螺紋38的錐度也可與所述外螺紋22的錐度相等。這樣，所述內(nèi)螺紋38具有一個(gè)相對(duì)于所述陰螺紋接頭12的軸線形成大約1.8度的一個(gè)角度39的錐度，該錐度大于外螺紋22相對(duì)于所述陽(yáng)螺紋接頭10的軸線形成大約1.6度的一個(gè)角度20的錐度。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，每英寸大約具有3.5個(gè)外螺紋22以便當(dāng)所述外螺紋處于拉伸狀態(tài)下時(shí)降低螺紋連接裝置滑脫的可能性。所述陰螺紋接頭12包括一個(gè)位于所述內(nèi)螺紋36和陰螺紋接頭表面42之間的擴(kuò)孔部分44，所述擴(kuò)孔部分44具有一個(gè)軸向長(zhǎng)度45，所述軸向長(zhǎng)度45大于約1.5英寸，最好至少為2英寸。為了不超出管式連接的應(yīng)力極限，所述擴(kuò)孔部分44的軸向長(zhǎng)度45必須足夠大以增加其上分布有扭矩或應(yīng)力的材料的質(zhì)量或體積。所述擴(kuò)孔部分44在其內(nèi)徑48和其外徑50之間限定了一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積46。所述陰螺紋接頭12還在一個(gè)相對(duì)于所述內(nèi)臺(tái)肩40與所述內(nèi)螺紋38軸向相對(duì)間隔開(kāi)的位置處限定了一個(gè)處在所述陰螺紋接頭12的內(nèi)徑54和所述陰螺紋接頭12的外徑56之間的陰螺紋接頭橫截面積52。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述擴(kuò)孔橫截面積46至少比在所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋接頭的螺紋根部58和與其徑向鄰接的所述陽(yáng)螺紋接頭10之內(nèi)徑60之間的橫截面積大10％。重要的是在擴(kuò)孔橫截面積46和一個(gè)(處在位于上述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋接頭的螺紋根部58和與其徑向鄰接的所述陽(yáng)螺紋接頭10之內(nèi)徑60之間的)橫截面積之間維持類似的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。這樣，為了保持一個(gè)類似的抗扭強(qiáng)度和防止管式接頭在所述區(qū)域中的疲勞工作，最好使所述擴(kuò)孔橫截面積46與在所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋接頭的螺紋根部58和與其徑向鄰接的所述陽(yáng)螺紋接頭10之內(nèi)徑60之間的橫截面積類似。為了計(jì)算由于所述擴(kuò)孔部分44的外徑50上的磨損和摩擦而造成的材料減少量，所述擴(kuò)孔橫截面積46最好至少比處在所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋接頭的螺紋根部58和與其徑向鄰接的所述陽(yáng)螺紋接頭10之內(nèi)徑60之間的橫截面積大10％。
當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12在使用前連接在一起時(shí)，所述陰螺紋接頭表面42和外臺(tái)肩18處于平面接合的配合狀態(tài)。在連接過(guò)程中，一個(gè)軸向預(yù)加載應(yīng)力作用在所述陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12二者之上的與最后一個(gè)陽(yáng)螺紋36徑向鄰接的區(qū)域中，并且所述陽(yáng)螺紋接頭表面26和內(nèi)臺(tái)肩40接合。當(dāng)所述陰螺紋接頭表面42和外臺(tái)肩18開(kāi)始接合時(shí)，所述陽(yáng)螺紋接頭表面26和內(nèi)臺(tái)肩40最好形成一個(gè)至少為0.005英寸的軸向間隙，以便在所述陽(yáng)螺紋接頭表面26和內(nèi)臺(tái)肩40以平面接合的方式配合之前將一個(gè)預(yù)加載應(yīng)力限制在所述陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12二者之上的與最后一個(gè)陽(yáng)螺紋36徑向鄰接的區(qū)域中。因此，所述螺紋連接裝置的尺寸能夠通過(guò)螺紋連接來(lái)傳送在鉆井過(guò)程中所受到的扭矩直至所述陽(yáng)螺紋接頭表面26和內(nèi)臺(tái)肩40接合。在所述陽(yáng)螺紋接頭表面26和內(nèi)臺(tái)肩40接合過(guò)程中所受到的附加扭矩被集中在所述陰螺紋接頭12的內(nèi)螺紋38上最后一個(gè)接合的螺紋62附近。因此，在與所述內(nèi)螺紋38上的最后一個(gè)螺紋62徑向鄰接的區(qū)域中所受到的軸向壓力載荷要求所述擴(kuò)孔橫截面積46和前端橫截面積28的總面積至少為所述陰螺紋接頭橫截面積52的70％，最好至少為所述陰螺紋接頭橫截面積52的約75％。
盡管可通過(guò)增大所述擴(kuò)孔部分的外徑50或減小所述前端部分的內(nèi)徑30來(lái)控制所述前端橫截面積28和所述擴(kuò)孔橫截面積46的總抗扭強(qiáng)度，但是在螺紋連接裝置的屈服強(qiáng)度方面主要取決于螺紋連接裝置的流動(dòng)路徑或內(nèi)徑。因此，本發(fā)明結(jié)合上述陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12的特定外形尺寸為陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12提供一種最佳的流動(dòng)路徑或內(nèi)徑。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述前端部分24的內(nèi)徑30不小于所述陰螺紋接頭12的內(nèi)徑54，所述陰螺紋接頭12的外徑56不大于所述陰螺紋接頭12在所述陰螺紋接頭表面42和內(nèi)臺(tái)肩40之間的外徑50。
現(xiàn)參見(jiàn)圖2，在圖1所圈區(qū)域的一個(gè)局部放大視圖中表示了外螺紋22。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一個(gè)陽(yáng)螺紋34包括一個(gè)螺紋根部64，所述螺紋根部64的外徑大于所述前端部分24的外徑32。另外，當(dāng)陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12連接時(shí)，所述前端部分24的外徑32和與所述前端部分徑向鄰接的陰螺紋接頭12的內(nèi)徑66限定了一個(gè)至少為0.03英寸的徑向間隙68。
現(xiàn)參見(jiàn)圖3，圖3是圖1中表示內(nèi)螺紋38的所圈區(qū)域的一個(gè)局部放大視圖。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述陰螺紋接頭12具有一個(gè)與所述擴(kuò)孔部分44鄰接的第一個(gè)陰螺紋70。所述擴(kuò)孔部分的內(nèi)徑48最好大于所述第一個(gè)陰螺紋70的一個(gè)螺紋根部的內(nèi)徑72。另外，當(dāng)陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12連接時(shí)，所述基部16的外徑74和所述擴(kuò)孔部分44的內(nèi)徑48限定了一個(gè)至少為0.03英寸的徑向間隙76。
在本發(fā)明所涉及的用于形成一種螺紋連接裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1中所示，形成一個(gè)管式陽(yáng)螺紋接頭10，所述管式陽(yáng)螺紋接頭10具有在一個(gè)徑向向外的外臺(tái)肩18和一個(gè)徑向向內(nèi)的陽(yáng)螺紋接頭表面26之間軸向延伸的外螺紋22。所述陽(yáng)螺紋接頭10包括一個(gè)在所述外臺(tái)肩18和外螺紋22之間軸向延伸的基部16以及一個(gè)在所述陽(yáng)螺紋接頭表面26和外螺紋22之間軸向延伸的前端部分24。所述前端部分24在其內(nèi)徑30和其外徑32之間限定了一個(gè)前端橫截面積28。所述外螺紋22從與所述前端部分24相鄰接的第一個(gè)陽(yáng)螺紋34徑向向外延伸到與所述基部16相鄰接的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋36處的錐度不大于約每英尺1英寸，最好不大于約每英尺0.8英寸。
形成一個(gè)用于與所述陽(yáng)螺紋接頭10進(jìn)行螺紋連接的管式陰螺紋接頭12。所述管式陰螺紋接頭12具有在一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩40與一個(gè)徑向向外的陰螺紋接頭表面42之間軸向延伸的內(nèi)螺紋38。盡管所述內(nèi)螺紋38的錐度最好大于所述外螺紋22的錐度以便當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭10與陰螺紋接頭12連接時(shí)使作用在所述外螺紋22和內(nèi)螺紋38上的載荷線性分布，但是所述內(nèi)螺紋38的錐度也可與所述外螺紋22的錐度相等。這樣，所述內(nèi)螺紋38具有一個(gè)相對(duì)于所述陰螺紋接頭12之軸線形成大約1.8度的一個(gè)角度39的錐度，該錐度大于外螺紋22相對(duì)于所述陽(yáng)螺紋接頭10之軸線形成大約1.6度的一個(gè)角度20的錐度。
所述管式陰螺紋接頭12還包括一個(gè)在所述內(nèi)螺紋38和陰螺紋接頭表面42之間的擴(kuò)孔部分44。所述擴(kuò)孔部分44在其內(nèi)徑48和其外徑50之間限定了一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積46。另外，所述陰螺紋接頭12在一個(gè)相對(duì)于所述內(nèi)臺(tái)肩40與所述內(nèi)螺紋38軸向相對(duì)間隔開(kāi)的位置處限定了一個(gè)處在所述陰螺紋接頭12的內(nèi)徑54和所述陰螺紋接頭12的外徑56之間的陰螺紋接頭橫截面積52。
接著，將所述陰螺紋接頭12和陽(yáng)螺紋接頭10連接在一起以使所述陰螺紋接頭表面42和外臺(tái)肩18接合。在連接過(guò)程中，一個(gè)軸向預(yù)加載應(yīng)力作用在所述陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12二者之上的與最后一個(gè)陽(yáng)螺紋36徑向鄰接的區(qū)域中，并且所述陽(yáng)螺紋接頭表面26和內(nèi)臺(tái)肩40接合。當(dāng)通過(guò)螺紋連接傳送扭矩時(shí)，只要所述擴(kuò)孔橫截面積46和前端橫截面積28的總面積至少為所述陰螺紋接頭橫截面積52的70％，最好至少為所述陰螺紋接頭橫截面積52的75％，即可使所述陽(yáng)螺紋接頭10和陰螺紋接頭12的總抗扭強(qiáng)度保持均勻。
根據(jù)上面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述，顯然可對(duì)這里所涉及的螺紋連接裝置進(jìn)行各種變型。盡管本發(fā)明已對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是，應(yīng)該理解的是，上述內(nèi)容僅是為了說(shuō)明，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯然可根據(jù)上述披露的內(nèi)容對(duì)部件和操作方法進(jìn)行變型。因此，在不脫離由后面的權(quán)利要求書(shū)所限定的保護(hù)范圍內(nèi)可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改進(jìn)和變型。
權(quán)利要求
1.一種利用螺紋連接獲得較高扭矩傳送能力的油田用管式螺紋連接裝置，包括一個(gè)管式陽(yáng)螺紋接頭，所述管式陽(yáng)螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向外的外臺(tái)肩和一個(gè)徑向向內(nèi)的陽(yáng)螺紋接頭表面之間軸向延伸的外螺紋，所述陽(yáng)螺紋接頭包括一個(gè)在所述外臺(tái)肩和外螺紋之間軸向延伸的基部以及一個(gè)在所述陽(yáng)螺紋接頭表面和外螺紋之間軸向延伸的前端部分，所述前端部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了一個(gè)前端橫截面積；所述外螺紋從與所述前端部分相鄰接的第一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向向外延伸到與所述基部相鄰接的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋處的錐度不大于每英尺1英寸；一個(gè)用于與所述陽(yáng)螺紋接頭進(jìn)行螺紋連接的管式陰螺紋接頭，所述管式陰螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩與一個(gè)徑向向外的陰螺紋接頭表面之間軸向延伸的內(nèi)螺紋，所述管式陰螺紋接頭在所述內(nèi)螺紋和陰螺紋接頭表面之間包括一個(gè)擴(kuò)孔部分，所述擴(kuò)孔部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積，并且所述陰螺紋接頭在一個(gè)相對(duì)于所述內(nèi)臺(tái)肩與所述內(nèi)螺紋軸向相對(duì)間隔開(kāi)的位置處限定了一個(gè)處在所述陰螺紋接頭之內(nèi)徑和所述陰螺紋接頭之外徑之間的陰螺紋接頭橫截面積；所述擴(kuò)孔橫截面積和前端橫截面積限定了一個(gè)至少為所述陰螺紋接頭橫截面積的70％的總橫截面積；以及當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和陽(yáng)螺紋接頭連接時(shí)，使所述陰螺紋接頭表面和外臺(tái)肩處于平面接合的配合狀態(tài)下，以便在所述陽(yáng)螺紋接頭表面和內(nèi)臺(tái)肩以平面接合的方式配合之前使一個(gè)預(yù)加載應(yīng)力作用在所述陽(yáng)螺紋接頭和陰螺紋接頭二者之上的與所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向鄰接的區(qū)域中。
2.如權(quán)利要求1所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述總橫截面積至少為所述陰螺紋接頭橫截面積的75％。
3.如權(quán)利要求1所述的螺紋連接裝置，其特征在于，從所述第一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向向外延伸到所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋的所述錐度不大于約每英尺0.8英寸。
4.如權(quán)利要求1所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述內(nèi)螺紋的錐度大于所述外螺紋的錐度。
5.如權(quán)利要求1所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述擴(kuò)孔橫截面積大于一個(gè)處在所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋的螺紋根部和與其徑向鄰接的所述陽(yáng)螺紋接頭的內(nèi)徑之間的橫截面積。
6.如權(quán)利要求5所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述擴(kuò)孔橫截面積至少比處在所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋的螺紋根部和與其徑向鄰接的所述陽(yáng)螺紋接頭之所述內(nèi)徑之間的橫截面積大10％。
7.如權(quán)利要求1所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述內(nèi)螺紋和所述外螺紋的軸向間距小于約每英寸4個(gè)螺紋。
8.如權(quán)利要求7所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述軸向間距大約為每英寸3.5個(gè)螺紋。
9.如權(quán)利要求1所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述陰螺紋接頭具有與所述擴(kuò)孔部分鄰接的第一個(gè)陰螺紋和與所述內(nèi)臺(tái)肩鄰接的最后一個(gè)陰螺紋，所述擴(kuò)孔部分的內(nèi)徑大于所述第一個(gè)陰螺紋的螺紋根部的內(nèi)徑。
10.如權(quán)利要求1所述的螺紋連接裝置，其特征在于，在所述第一個(gè)陽(yáng)螺紋上的螺紋根部的外徑大于所述前端部分的外徑。
11.如權(quán)利要求1所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述前端部分的內(nèi)徑不小于所述陰螺紋接頭的內(nèi)徑。
12.一種利用螺紋連接獲得較高扭矩傳送能力的油田用管式螺紋連接裝置，包括一個(gè)管式陽(yáng)螺紋接頭，所述管式陽(yáng)螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向外的外臺(tái)肩和一個(gè)徑向向內(nèi)的陽(yáng)螺紋接頭表面之間軸向延伸的錐形外螺紋，所述陽(yáng)螺紋接頭包括一個(gè)在所述外臺(tái)肩和外螺紋之間軸向延伸的基部以及一個(gè)在所述陽(yáng)螺紋接頭表面和外螺紋之間軸向延伸的前端部分，所述前端部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了一個(gè)前端橫截面積；一個(gè)用于與所述陽(yáng)螺紋接頭進(jìn)行螺紋連接的管式陰螺紋接頭，所述管式陰螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩與一個(gè)徑向向外的陰螺紋接頭表面之間軸向延伸的內(nèi)螺紋，所述管式陰螺紋接頭在所述內(nèi)螺紋和陰螺紋接頭表面之間包括一個(gè)擴(kuò)孔部分，所述擴(kuò)孔部分的軸向長(zhǎng)度至少為1.5英寸，所述擴(kuò)孔部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積，并且所述陰螺紋接頭在一個(gè)相對(duì)于所述內(nèi)臺(tái)肩與所述內(nèi)螺紋軸向相對(duì)間隔開(kāi)的位置處限定了一個(gè)處在所述陰螺紋接頭的內(nèi)徑和所述陰螺紋接頭的外徑之間的陰螺紋接頭橫截面積；所述擴(kuò)孔橫截面積和前端橫截面積限定了一個(gè)至少為所述陰螺紋接頭橫截面積的70％的總橫截面積；以及當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和所述陰螺紋接頭開(kāi)始連接時(shí)，所述陽(yáng)螺紋接頭表面和所述陰螺紋接頭的內(nèi)臺(tái)肩具有一個(gè)至少為0.005英寸的軸向間隙，以便在所述陽(yáng)螺紋接頭表面和內(nèi)臺(tái)肩以平面接合的方式配合之前將一個(gè)預(yù)加載應(yīng)力限制在所述陽(yáng)螺紋接頭和陰螺紋接頭二者之上的與所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向鄰接的區(qū)域中。
13.如權(quán)利要求12所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述擴(kuò)孔部分的軸向長(zhǎng)度大于約2英寸。
14.如權(quán)利要求12所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述總橫截面積至少為所述陰螺紋接頭橫截面積的75％。
15.如權(quán)利要求12所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述擴(kuò)孔橫截面積大于一個(gè)處在所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋的螺紋根部和與其徑向鄰接的所述陽(yáng)螺紋接頭之內(nèi)徑之間的橫截面積。
16.如權(quán)利要求12所述的螺紋連接裝置，其特征在于，當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和所述陰螺紋接頭連接時(shí)，所述基部的外徑和所述擴(kuò)孔部分的內(nèi)徑限定了一個(gè)至少為0.03英寸的徑向間隙。
17.如權(quán)利要求12所述的螺紋連接裝置，其特征在于，當(dāng)所述陽(yáng)螺紋接頭和所述陰螺紋接頭連接時(shí)，所述前端部分的外徑和與所述前端部分徑向相鄰接的所述陰螺紋接頭的內(nèi)徑限定了一個(gè)至少為0.03英寸的徑向間隙。
18.如權(quán)利要求12所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述陰螺紋接頭的外徑不大于所述陰螺紋接頭在該陰螺紋接頭表面與所述內(nèi)臺(tái)肩之間的外徑。
19.如權(quán)利要求12所述的螺紋連接裝置，其特征在于，所述內(nèi)螺紋的錐度大于所述外螺紋的錐度。
20.一種用于在一個(gè)油田管道中形成螺紋連接的方法，所述管式螺紋連接裝置通過(guò)螺紋連接具有較高的扭矩傳送能力，所述方法包括形成一個(gè)管式陽(yáng)螺紋接頭，所述管式陽(yáng)螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向外的外臺(tái)肩和一個(gè)徑向向內(nèi)的陽(yáng)螺紋接頭表面之間軸向延伸的外螺紋，所述陽(yáng)螺紋接頭包括一個(gè)在所述外臺(tái)肩和外螺紋之間軸向延伸的基部以及一個(gè)在所述陽(yáng)螺紋接頭表面和外螺紋之間軸向延伸的前端部分，所述前端部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了一個(gè)前端橫截面積；所述外螺紋從與所述前端部分相鄰接的第一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向向外延伸到與所述基部相鄰接的最后一個(gè)陽(yáng)螺紋處的錐度不大于每英尺1英寸；形成一個(gè)用于與所述陽(yáng)螺紋接頭進(jìn)行螺紋連接的管式陰螺紋接頭，所述管式陰螺紋接頭具有在一個(gè)徑向向內(nèi)的內(nèi)臺(tái)肩與一個(gè)徑向向外的陰螺紋接頭表面之間軸向延伸的內(nèi)螺紋，所述管式陰螺紋接頭在所述內(nèi)螺紋和陰螺紋接頭表面之間包括一個(gè)擴(kuò)孔部分，所述擴(kuò)孔部分在其內(nèi)徑和其外徑之間限定了一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積，并且所述陰螺紋接頭在一個(gè)相對(duì)于所述內(nèi)臺(tái)肩與所述內(nèi)螺紋軸向相對(duì)間隔開(kāi)的位置處限定了一個(gè)處在所述陰螺紋接頭之內(nèi)徑和所述陰螺紋接頭之外徑之間的陰螺紋接頭橫截面積；所述擴(kuò)孔橫截面積和前端橫截面積限定了一個(gè)至少為所述陰螺紋接頭橫截面積的70％的總橫截面積；連接所述陽(yáng)螺紋接頭和陽(yáng)螺紋接頭以使所述陰螺紋接頭表面和外臺(tái)肩接合并使一個(gè)預(yù)加載應(yīng)力作用在所述陽(yáng)螺紋接頭和陰螺紋接頭二者之上的與所述最后一個(gè)陽(yáng)螺紋徑向鄰接的區(qū)域中；以及在鉆井過(guò)程中通過(guò)所述陽(yáng)螺紋接頭表面和所述內(nèi)臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)平面接合來(lái)傳送扭矩。
全文摘要
一種極高扭矩的雙臺(tái)肩鉆具接頭,所述雙臺(tái)肩鉆具接頭通過(guò)使所述陰螺紋接頭(12)的一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積和所述陽(yáng)螺紋接頭(10)的一個(gè)前端部分橫截面積相關(guān)聯(lián)來(lái)使一個(gè)螺紋連接裝置的抗扭強(qiáng)度最大。所述管式陽(yáng)螺紋接頭(10)具有一個(gè)基部(74)和一個(gè)前端部分(24)。所述前端部分(24)限定了一個(gè)前端橫截面積(28)。所述陽(yáng)螺紋接頭的外螺紋(22)的錐度不大于1/12。所述管式陰螺紋接頭(12)具有一個(gè)擴(kuò)孔橫截面積(46)和一個(gè)陰螺紋接頭橫截面積(52)。所述鉆具接頭的整體強(qiáng)度取決于所述螺紋連接裝置的抗扭強(qiáng)度、所述前端橫截面積(28)和所述擴(kuò)孔橫截面積(46)。
文檔編號(hào)E21B17/02GK1261948SQ98806866
公開(kāi)日2000年8月2日 申請(qǐng)日期1998年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月2日
發(fā)明者J·E·史密斯, T·E·溫希普, G·E·威爾森 申請(qǐng)人:格蘭特普萊德科公司